MEMS耦合场分析与系统级仿真

　　微机电系统(MEMS)是一个迅速发展的领域,它利用半导体加工方法来制作微尺度的机械、流体、电子、光学及其它一些器件;MEMS常常同微电子电路集成在一起完成传感、信号处理、计算、控制及执行等功能。MEMS以其独特的优点已经引起各国的极大关注。尽管期望到2000年微器件的年市场额可达到1000～1400万美元,但该市场仍然由少数器件占有,不能形成规模。美国、日本、欧洲等国家的学者已经认识到,MEMS成功地占领市场在很大程度上取决于如何有效地运用计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助工程分析(CAE)及计算机辅助制造(CAM)方法。计算机的引入使得设计、运行性能分析的高速化、自动化和可视化、加工工艺的参数化控制,缩短设计、制作周期,提高制作过程的可重复性,从而大大提高MEMS器件的性能—价格比。

　　MEMS有许多独特之处:①MEMS的分析与设计是多场耦合问题。MEMS的设计、制作涉及多个学科。②尺寸的缩小引起工作机理的变化。③加工方法不同于一般的机械加工。在MEMS的研制中,大量使用光刻腐蚀、离子加工、离子注入等微电子加工技术。④加工精度及检测在微米/纳米技术中,加工可达到的绝对精度提高,相对精度降低。⑤MEMS的研究工作一直把机电一体化集成作为一个重要的发展方向。在单个衬底或者多个衬底上集成各类传感器、动作器、机械结构以及相应的信号处理和控制电路。鉴于此,必须建立一套专门的设计、分析、仿真方法。其中,器件的耦合场分析和系统级仿真在整个过程中将起决定性作用。

　　1　MEMS CAD的体系结构

　　MEMS由于其尺寸的减小,与工作环境具有很强的相互作用,特别是传感器件,就是利用与环境的相互作用来实现其功能的,从而造成MEMS的多维性、多学科性及多尺度性。开发这样的CAD系统更加困难。Petersen[1]很早就认识到了开发MEMS CAD系统的重要性。十几年前,MIT研究小组[2]初步设计了MEMS CAD,后经多年的发展,并形成了商业性软件。但目前MEMSCAD仍然存在许多问题,吸引了许多大学、商业软件开发商如ANSYS、CFD等机构的参与。DAPAR[3]还专门立项,投资1700万美元用于研究开发复合MEMS CAD系统(Composite　　CAD)。

　　典型的MEMS CAD体系结构见图1。在理想的MEMS设计环境中,用户首先模拟制作过程,根据掩膜图、过程描述文件产生3维几何模型、材料特性、初始条件(如加工引起的残余应力)。为了计算初始场分布,必须离散几何模型,建立加工过程的物理模型。这里,实现自动网格划分可能是相当困难的,因为对应于不同的场分析,需要相应的网格划分方法。

　　2　MEMS器件的耦合场分析